JP5713634B2

JP5713634B2 - 部品位置計測方法

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Publication number: JP5713634B2
Application number: JP2010251662A
Authority: JP
Inventors: 高田　和彦; 和彦高田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: US8576411B2; RU2013126520A; BR112013011545A2; EP2637828B1; BR112013011545B1; CN103221187A; US20130250309A1; EP2637828A1; RU2542960C2; WO2012063968A1; CN103221187B; JP2012103099A

Description

本発明は、レーザビーム等の光線を部品で遮断した時の部品の位置を計測し、計測結果より三角形の相似関係で部品の先端位置を求める部品位置計測方法に関するものである。

従来、各種電気部品や電子部品あるいは各種電装品等を構成する各種部品の組付工程等における位置を認識するために、種々の部品位置認識方法が知られている。

例えば、第一の方法として、部品の先端部を位置決めすることが挙げられ、第二の方法として、部品を機械式ガイドで案内することが挙げられ、第三の方法として、部品をＣＣＤ（画像装置）で認識することが挙げられる。

また、例えば特許文献１には、基板のパッドに部品を吸着ノズルで移載する際に、部品自体の傾き（変形）を考慮して、部品の高さ方向の二箇所の位置をレーザビームの照射で計測して部品の傾きを求め、パッドに対する部品の位置を補正することが記載されている。

特開２０１０−２７８９７号公報

しかしながら、上記した部品の先端部を位置決めする第一の方法にあっては、部品の小型化（小ピッチ化）に対応できず、また、部品の組付順に制約があるという問題があった。また、部品を機械式ガイドで案内する第二の方法にあっては、例えば凹凸形状が不可で対応可能な部品が制限されたり、ガイドが専用部品であるために、適応可能な部品の種類が限定されるという問題があった。また、部品をＣＣＤ（画像装置）で認識する第三の方法にあっては、画素数・レンズ焦点調整等により精度が影響されたり、タクトタイム・設備コストがかかるという問題があった。

また、上記第一〜第三の方法以外の特許文献１記載の部品位置計測方法にあっては、一つの部品を位置を変えて二回計測しなければならず、工数がかかり面倒であるという懸念があった。

また、吸着ノズルではなくチャックで部品を把持して移動させる場合に、部品が少なからず傾いて把持され、部品の先端の位置が狂ってしまうという問題があった。

本発明は、上記した点に鑑み、部品の小型化に対応でき、部品の凹凸形状にも対応でき、部品の適用範囲が広く、汎用性や計測精度が高く、低コストで済み、しかも部品をチャックで傾いて把持した場合でも部品の先端位置を正確に認識できる部品位置計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る部品位置計測方法は、部品をチャックで把持し、その把持位置を三次元の座標系における計測基準位置（Ａ）とし、該部品の先端を前として該部品を該チャックと共に該座標系のなかで三次元方向に移動させ、該計測基準位置は基準ジグを用いて予め測定しておき、該部品に交差する方向の光線を移動中の該部品で遮断させ、遮断位置における該部品の該チャックを支点とした傾き方向の位置ずれを計測手段で計測し、その計測値を登録済みの該計測基準位置と比較してずれ量（Ｈ）を求め、該ずれ量を一辺とし、該計測基準位置を一点とする仮想三角形（ａ）と、該遮断位置と該部品の先端としての該部品の光線遮断面及び先端面の各延長線の交点との二点を通る仮想三角形（ｂ）との相似関係より、該部品の先端位置の計測補正値（ｈ）を求め、該ずれ量と該計測補正値との総和で部品先端位置ずれ量を求めることを特徴とする。

上記構成により、部品がチャックで把持された際に少なからず振れ（傾き）を生じ、その状態でチャックと一体に移動し、レーザセンサ等から照射された光線（ビーム）を移動中に遮断し、遮断時における部品の遮断位置の傾き方向の位置ずれ量が計測手段で計測され、その計測値が既に登録済みの計測基準位置と比較されてずれ量が算出され、部品が傾かない場合の計測基準位置（傾いた場合も計測基準位置は同じ）を通る部品の一辺と、計測基準位置と、位置ずれ量の計測点すなわち光線遮断位置（ずれ量を一辺とする）とを通る第一の仮想三角形と、同じく光線遮断位置と、遮断位置を通る、前記部品の一辺と平行な辺部と、部品の先端の点とを通る第二の仮想三角形とが相似であることを利用して、ずれ量の比率計算で部品の先端位置の計測補正値が算出され、ずれ量と計測補正値との総和で部品先端位置ずれ量が算出される。

ずれ量の計測は、光線が部品で遮断されるまでの部品の移動距離を計測手段で計測してもよく（レーザセンサ等はスイッチとして用いられる）、あるいは、光線を照射するレーザセンサ等を測長器（計測手段）として用い、レーザセンサ等で部品の位置を直接計測してもよい。計測手段としてはレーザビームセンサ以外に光ファイバセンサや光電センサ等を適用可能である。

請求項２に係る部品位置計測方法は、請求項１記載の部品位置計測方法において、前記部品の前記傾き方向の位置ずれのない水平な状態での前後方向をＹ方向とした場合に、該Ｙ方向に直交するＸ方向とＺ方向に前記光線をそれぞれ照射させ、前記部品先端位置ずれ量をＸ方向とＺ方向のそれぞれについて求めることを特徴とする。

上記構成により、部品の先端の位置ずれがＸＺ座標で正確に求められる。部品のＹ方向（長手方向）の位置ずれに対するＸ方向（幅方向）とＺ方向（高さ方向）の計測誤差は軽微であるので、無視できる。Ｙ方向の位置ずれは、部品の移動距離計測用の計測手段で求められる。

請求項１記載の発明によれば、部品をチャックで把持した際に部品が傾いても、部品の傾き方向の位置ずれ量を正確に認識することができ、さらに位置ずれ量を基に部品の先端位置を正確に認識することができるから、部品を相手部品に組み付ける作業を精度良く容易に行うことができる。例えば極細径のレーザビーム等を用いることで、部品の小型化に対応でき、部品の凹凸形状にも対応でき、部品の適用範囲が広く、汎用性が高く、計測精度が高く、低コストで済む。

請求項２記載の発明によれば、部品の先端の位置ずれをＸＺの二方向について正確に認識することで、部品を相手部品に組み付ける作業を一層精度良く行うことができる。

本発明に係る部品位置計測方法の一実施形態を示す斜視図である。同じく部品のＺ方向位置を計測する状態を示す側面図である。図２のＦ部を拡大して示す説明図である。部品のＹ方向の位置ずれとＺ方向の計測誤差の関係を示す、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＧ部を拡大して示す説明図である。

図１〜図３は、本発明に係る部品位置計測方法の一実施形態を示すものである。

この部品位置計測方法は、図１の如く、横長の部品１の後部側１ａをチャック２で把持して部品１を移動させ、Ｘ方向（部品幅方向ないし水平方向）に照射されるレーザビーム（光線）３及び／又はＺ方向（部品高さ方向ないし垂直方向）に照射されるレーザビーム（光線）４を移動中の部品１の前部側１ｂで遮断させ（Ｚ方向の遮断位置をＢ、Ｘ方向の遮断位置をＢ’で示す）、図２（Ｚ方向の位置ずれを求める場合を示す）の如く、レーザビーム遮断時の部品１の位置（レーザビーム遮断位置）Ｂを部品１のチャック位置Ａを基準に計測し、図２の如く部品１はチャック時に少なからず振れ（傾き）を生じてしまうので、その傾斜角度θを利用して、図３の如く、三角形の相似関係により、部品１のレーザビーム遮断位置Ｂのずれ量Ｈの計測値を基にして、部品１の先端（前端）Ｃの位置を算出するものである。

図１において、Ｘ方向に照射されるレーザビーム３は部品１のＺ方向の位置（Ｂ）を計測するためのものであり、Ｚ方向に照射されるレーザビーム４は部品１のＸ方向の位置（Ｂ’）を計測するためのものである。Ｘ方向のレーザビーム３を部品１がＺ方向に遮断及び通過し、Ｚ方向のレーザビーム４を部品１がＸ方向に遮断及び通過する。

図１で、符号Ｂは、Ｘ方向のレーザビーム３による部品１のＺ方向の計測位置、符号Ｂ’は、Ｚ方向のレーザビーム４による部品１のＸ方向の計測位置、符号Ｃは、三角形の相似関係で求める部品先端位置すなわちＸ方向とＺ方向を兼ねた先端角部位置をそれぞれ示している。各レーザビーム３，４は不図示の各レーザセンサから照射される。極細径のレーザビーム３，４で計測位置Ｂ，Ｂ’をピンポイントで規定することができる。

チャック２は、例えば左右一対の垂直な把持部２ａ、あるいは左右一対の垂直な把持部２ａと上下の水平な把持部２ｂとで構成され、部品１を不動に固定させる既存のものである。チャック２の形態は部品１の種類や形状等に応じて適宜設定される。チャック２はＸＹＺの三次元方向に移動手段で移動可能である。チャック２の移動は、例えば不図示のチャックヘッドに設けたナットをボールねじ軸に螺合させ、ボールねじ軸をサーボモータで回転駆動する等の既存の移動手段で行われる。サーボモータは不図示の各レーザセンサと共に制御部に接続され、部品１の移動距離を計測可能である。

図２において、符号Ａは、部品１のチャック位置である計測基準位置を示している。実線で示す部品１は移動中のものである。移動中の部品１はチャック位置Ａを支点に傾斜角度θで前上がりに傾斜している。傾斜角度θの大きさは未定である。鎖線で示す符号１’は、傾斜しない場合の水平な部品１の位置を示している。符号Ｂは部品計測位置を示している。部品計測位置Ｂは部品１の前部側１ｂの下端（下部）１ｃである。

また、符号Ｃは、三角形の相似関係で求める部品１の先端位置を示している。部品１の先端位置Ｃは部品１の下端面１ｃと前端面（先端面）１ｄとの延長線の交点である。この部品１の先端下部には切欠部（面取部）１ｅが設けられているが、三角形の相似関係を用いて、仮想の部品先端位置Ｃを正確に規定（認識）することができる。鎖線で示す符号Ｆ部は、後述の図３で説明する三角形の相似関係の対応位置を示している。

また、符号Ｌは、チャック位置Ａから水平な部品１’の先端１ｄ’までのＹ方向水平距離すなわち部品長さ、符号Ｌ１は、傾斜した部品１の部品計測位置Ｂから水平な部品１’の先端１ｄ’までのＹ方向水平距離、符号Ｈは、水平な部品１’の下端（下辺）１ｃ’から傾斜した部品１の部品計測位置ＢまでのＺ方向垂直距離、すなわちＺ方向の位置ずれ計測値（ずれ量）、符号ｈは、傾斜した部品１の部品計測位置Ｂから先端位置ＣまでのＺ方向垂直距離、すなわち計測補正値、符号ΔＺは、水平な部品１’の下辺１ｃ’から傾斜した部品１の先端下部ＣまでのＺ方向垂直距離、すなわちＺ方向の部品先端位置ずれ量をそれぞれ示している。

以下に、本実施形態のＺ方向の部品位置計測方法を詳細に説明する。先ず、図１のチャック２で部品１を把持位置決めして（部品１は意に反して図２の如く振れて若干傾斜する）、部品１をＺ方向に平行移動させる。部品１の移動中に部品１でレーザセンサのＸ方向のレーザビーム３を遮断させる。部品１でレーザビーム３を遮断させる位置にレーザセンサを配置しておく。ビーム遮断時の部品位置ＢをＮＣサーボやエンコーダ等といった計測手段により計測する。

レーザセンサと移動手段と計測手段とは制御部（図示せず）に接続されており、移動手段でチャック２が部品１と一体にＺ方向に移動した距離をレーザビーム遮断時に計測手段で計測するが、部品１が上向きに傾斜した分だけ部品計測位置Ｂがレーザビーム３を遮断する時間が水平な（傾斜していない）部品１’におけるよりも遅くなり、遮断時の計測値は水平な部品１’におけるよりも大きくなる（部品１が前下がりに傾斜した場合は、遮断する時間が早まり、遮断時の計測値は小さくなる）。

その計測結果（計測位置）を、事前に登録してある計測基準位置Ａと比較して、部品計測位置Ｂを認識する。すなわち、計測結果を、予め記憶させた基準位置Ａと比較して、基準位置ＡとのＺ方向の相対的なずれ量Ｈを計算する。基準位置Ａは事前に基準ジグ等を用いて測定して制御部に登録しておく。

次いで、図３の如く、基準位置Ａとの相対的なずれ量Ｈを基に、前後の異なる大きさの仮想三角形ａ，ｂ，が相似であることを利用して、計測位置Ｂから部品先端位置ＣまでのＺ方向距離すなわち計測補正値ｈを計算で求め、計測位置Ｂのずれ量Ｈに計測補正値ｈを加えて部品先端位置ずれ量ΔＺを求める。

図３の後側の大きな仮想三角形ａは、基準位置Ａと、基準位置Ｂと、基準位置Ｂから水平な部品１’の下辺１ｃ’まで垂下した位置Ｄとの三点を結んで構成され、図３の前側の小さな仮想三角形ｂは、基準位置Ｂと、部品先端位置Ｃと、部品先端位置Ｃから基準位置Ｂを通る水平線１ｆまで垂下した位置Ｅとの三点を結んで構成される。両三角形ａ，ｂは、斜辺１ｃ，１ｇと底辺１ｃ’，１ｆとのなす傾斜角度θと、底辺１ｃ’，１ｆと高さ方向の垂直な短辺Ｈ，ｈとのなす角度（直角）とが相互に同じであるので、相似である。

図２において、Ｙ方向の部品長さＬ、すなわち基準位置Ａから水平な部品１’の先端１ｄ’までの距離は予め測定済みであり、また、ビーム遮断時における計測位置（遮断位置）Ｂからチャック２（基準位置Ａ）までのＹ方向水平距離Ｌ２（図３）は、前記移動手段と計測手段で計測されるから、例えば部品長さＬ（図２）からＹ方向水平距離Ｌ２を減じて、図１の水平な部品１’の先端１ｄ’から計測位置Ｂまでの水平距離Ｌ１に近似するＬ１’（図３）を算出することで、水平距離Ｌ２とＬ１’との比率で、計測値Ｈに対する計測補正値ｈすなわち先端位置Ｃを得ることができる。

図４（ａ）（ｂ）は、部品１でレーザビーム３を遮断する際に、たとえ部品１の位置がＹ方向（部品長手方向）にずれていても（ずれ量を符号Δｙで示す）、Ｚ方向の計測誤差Δｚは軽微であることを示すものである。

図４（ａ）の鎖線１から実線１”の如く部品が傾斜した状態で前方に平行に位置ずれした際に、部品１の下部にレーザビーム３が当たる位置Ｂ”は、位置ずれ前の位置Ｂに較べて若干下がるものの、部品１の傾斜角度θがもともと小さいものであるので、その計測誤差Δｚは、図４（ｂ）の如く、Ｙ方向の部品位置ずれ量Δｙに較べて軽微である。計測誤差Δｚ＝部品位置ずれΔｙ×ｔａｎθである。

なお、図２において、部品１がチャック２で把持されても傾斜しない場合（鎖線で示す水平な部品１’の場合）は、部品１’の計測位置はＢではなくＤになり、予め登録されたＺ方向の基準位置Ａと、計測位置ＤのＺ方向の計測結果（計測値Ｈ）が一致し、部品先端位置ずれΔＺはゼロとなり、三角形の相似関係は使用する必要がなくなる。

図２〜図４では、部品１のＺ方向の位置ずれ補正について説明したが、部品１のＸ方向（図１の部品１の幅方向）の位置ずれ補正は、図１のＺ方向のレーザビーム４を用いて、図２〜図３と同様の手法で行われる。

すなわち、図２において、部品１のＺ方向の下端面１ｃをＸ方向の一側面（左面）と仮定し、部品１が上下方向ではなく左右方向に傾斜していると仮定すると、部品１を後部側１ａのチャック２（計測基準位置Ａ）で位置決めしてＸ方向に移動し、部品１の前部側１ｂの一側面で図１のＺ方向のレーザビーム４を遮断して遮断時の一側面（一側部）の位置Ｂを計測し、その計測結果を記憶済みの計測基準位置Ａと比較して、基準位置Ａとの左右方向の相対的なずれ量Ｈを算出し、そのずれ量Ｈより部品１の先端位置Ｃを三角形の相似関係より算出する。図４と同様に、部品１のＹ方向の位置ずれにより、Ｘ方向の計測精度に誤差を生じるが、軽微である。

そして、部品１のＺ方向及び／又はＸ方向の先端位置を認識することで、部品（凸状部品）１を不図示の相手部品の凹部すなわち凹状部品に組み付ける作業を位置ずれなく容易に行うことができる。これは、部品１の先端位置が変化しても、部品１の先端位置を確実に認識することができることによる。

上記実施形態によれば、従来の部品先端部位置決めや機械式ガイド方式やＣＣＤによる認識方法に較べて、部品適用範囲が広く、自動化率が向上する。また、部品精度によるずれ（部品品質等）を考慮する必要がないため、工程における品質が安定すると共に、設備や部品のコストダウンが可能となる。また、実施形態の部品位置計測方法は各種部品に汎用的に使用可能である。

なお、上記実施形態においては、レーザセンサをオンオフスイッチとして用い、レーザビーム３，４を遮断した時の部品１の位置を、チャック移動用のボールねじ軸を駆動するサーボモータのＮＣサーボ等を計測手段として用いて計測したが、これに代えて、レーザセンサを測長器（計測手段）として用い、レーザビーム３，４で直接、部品１の位置を計測することも可能である。この場合、図１における部品１のＺ方向位置ＢはＺ方向のレーザビーム４で計測し、部品１のＸ方向位置Ｂ’はＸ方向のレーザビーム３で計測する。また、計測手段としてレーザセンサ以外に光ファイバセンサや光電センサ等を用いることも可能である。

本発明に係る部品位置計測方法は、どのような部品・部材（部品と言う）等にも適用可能で、例えばこれら部品・部材等を相手側の部品・部材等に精度良く容易に組み付けるために利用することができる。

１部品
２チャック
３，４レーザビーム（光線）
Ａ計測基準位置
Ｂ，Ｂ’ 遮断位置（計測位置）
Ｃ先端位置
Ｈずれ量
ΔＺ部品先端位置ずれ量
ａ，ｂ仮想三角形
ｈ計測補正値

Claims

部品をチャックで把持し、その把持位置を三次元の座標系における計測基準位置（Ａ）とし、該部品の先端を前として該部品を該チャックと共に該座標系のなかで三次元方向に移動させ、該計測基準位置は基準ジグを用いて予め測定しておき、該部品に交差する方向の光線を移動中の該部品で遮断させ、遮断位置における該部品の該チャックを支点とした傾き方向の位置ずれを計測手段で計測し、その計測値を登録済みの該計測基準位置と比較してずれ量（Ｈ）を求め、該ずれ量を一辺とし、該計測基準位置を一点とする仮想三角形（ａ）と、該遮断位置と該部品の先端としての該部品の光線遮断面及び先端面の各延長線の交点との二点を通る仮想三角形（ｂ）との相似関係より、該部品の先端位置の計測補正値（ｈ）を求め、該ずれ量と該計測補正値との総和で部品先端位置ずれ量を求めることを特徴とする部品位置計測方法。
前記部品の前記傾き方向の位置ずれのない水平な状態での前後方向をＹ方向とした場合に、該Ｙ方向に直交するＸ方向とＺ方向に前記光線をそれぞれ照射させ、前記部品先端位置ずれ量をＸ方向とＺ方向のそれぞれについて求めることを特徴とする請求項１記載の部品位置計測方法。